馬啟震, 彭?xiàng)顤|, 李海峰, 桂樹強(qiáng)

(中冶武勘工程技術(shù)有限公司, 湖北 武漢 430080)

0 引 言

鋼廠屬于耗電大戶,利用鋼廠屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)綠電替代火電,可以有效減少二氧化碳排放。鋼廠分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目通常采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”發(fā)電模式。該種模式下,光伏發(fā)電優(yōu)先供鋼廠負(fù)荷使用,多余的電量返送電網(wǎng),當(dāng)光伏發(fā)電不夠負(fù)載使用時(shí),由電網(wǎng)進(jìn)行電量補(bǔ)充。由于光伏“自發(fā)自用”和“余電上網(wǎng)”電費(fèi)結(jié)算主體不同(前者是鋼廠,后者是電網(wǎng)公司),需要對(duì)鋼廠消納的電量和返送電網(wǎng)的電量分開進(jìn)行計(jì)量。通常情況下,分布式光伏發(fā)電廠產(chǎn)權(quán)屬于電力投資企業(yè),鋼廠煉鋼尾氣發(fā)電廠產(chǎn)權(quán)屬于鋼廠,需要區(qū)分光伏發(fā)電和煉鋼尾氣發(fā)電返送電網(wǎng)的電量,分開結(jié)算電費(fèi)。由于缺少有效的計(jì)量手段,電網(wǎng)難以將兩種電源返送電網(wǎng)電量進(jìn)行區(qū)分[1],進(jìn)而無(wú)法進(jìn)行電費(fèi)結(jié)算。一些地區(qū)電網(wǎng)公司停止批復(fù)鋼廠多個(gè)電源的接入手續(xù),一些地區(qū)政府要求鋼廠接入的多個(gè)電源為同一投資主體。雖然從政策方面避免了對(duì)多種電源返送電進(jìn)行區(qū)分計(jì)量和結(jié)算,同時(shí)也限制了分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目在這類鋼廠的應(yīng)用。本文針對(duì)鋼廠多電源并網(wǎng)計(jì)量方式進(jìn)行研究,提供分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目適應(yīng)具有自備電廠的鋼廠應(yīng)用場(chǎng)景的并網(wǎng)解決途徑。

1 鋼廠電源和負(fù)荷特性

1.1 鋼廠自備電源特性

鋼廠通常采用焦炭冶煉鐵礦石生產(chǎn)工藝。在高溫條件下,高爐內(nèi)部焦炭與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳,一氧化碳作為還原劑與鐵礦石反應(yīng)生成鐵水和二氧化碳,鐵水從高爐底部流出進(jìn)入轉(zhuǎn)爐。然后,二氧化碳、反應(yīng)不完全的一氧化碳以及其余氣體作為煉鋼尾氣從高爐頂部排出。類似的煉鋼尾氣來(lái)源還有焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣以及熔鑄還原爐煤氣等。為減少二氧化碳排放,通常采用高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置(TRT)收集煉鋼尾氣進(jìn)行二次發(fā)電,或者采用煤氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置(CCPP)收集煉鋼尾氣和煉鋼余熱進(jìn)行二次發(fā)電。兩種自備發(fā)電機(jī)組均具有“電隨荷動(dòng)”的特性。當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷大時(shí),產(chǎn)生的煉鋼尾氣多,尾氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電量大;當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷小時(shí),產(chǎn)生的煉鋼尾氣少,尾氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電量小。雖然可以通過(guò)儲(chǔ)罐存儲(chǔ)煉鋼尾氣,短時(shí)間調(diào)整發(fā)電功率,但是從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看,發(fā)電量并不會(huì)減少。在階段時(shí)間區(qū)間內(nèi),煉鋼尾氣發(fā)電量與鋼廠負(fù)荷大小成正比。因此,煉鋼尾氣發(fā)電為有限可調(diào)電源。

1.2 鋼廠光伏電源特性

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿囊环N技術(shù)。光伏組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)逆變器變?yōu)榻涣麟?再由變壓器升壓至標(biāo)準(zhǔn)電壓,并入電網(wǎng)。光伏發(fā)電出力受太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度影響,呈現(xiàn)短時(shí)波動(dòng)特性、晝夜間歇特性、季節(jié)浮動(dòng)特性[2]。在云霧天氣,光伏組件受云層遮擋,無(wú)法直接接收太陽(yáng)光,發(fā)電出力會(huì)短時(shí)降低,隨著云層飄過(guò),光伏組件恢復(fù)正常發(fā)電出力。晝夜循環(huán)期間,白天光伏組件發(fā)電出力隨太陽(yáng)升起降落呈波峰分布,夜間光伏組件停止發(fā)電。四季變換過(guò)程中,夏季光伏發(fā)電出力最高,春秋光伏發(fā)電出力次之,冬季光伏發(fā)電出力最低,因此,光伏為非可調(diào)電源。

1.3 鋼廠用電負(fù)荷特性

鋼鐵生產(chǎn)電力主要用于高爐、轉(zhuǎn)爐、連鑄、軋鋼等重要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和加熱,以及風(fēng)扇、吊車、照明、空調(diào)等輔助負(fù)荷使用。其用電特性具有耗電量大、負(fù)載波動(dòng)性大、功率因數(shù)低等特點(diǎn)。其中,高爐、電弧爐負(fù)載波動(dòng)范圍可以達(dá)到50%以上。軋鋼機(jī)等設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)顯著的周期性的變化。這些沖擊負(fù)荷引起的有功功率和無(wú)功功率變化導(dǎo)致鋼廠總體用電負(fù)荷呈現(xiàn)周期波動(dòng)性。

1.4 鋼廠電力平衡特性

據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)采用焦炭煉鋼工藝的鋼廠煉鋼尾氣發(fā)電自給率可達(dá)70%～90%。加上屋頂光伏發(fā)電出力,鋼廠自備電源總出力在短時(shí)間內(nèi)會(huì)超過(guò)鋼廠總負(fù)荷。受鋼廠自備電源不可調(diào)特性、峰谷特性以及負(fù)荷周期波動(dòng)特性的影響,鋼廠的市電進(jìn)線電力潮流會(huì)出現(xiàn)周期性下電和返送電現(xiàn)象[3]。鋼廠電力負(fù)荷曲線示意圖如圖1所示。

圖1 鋼廠電力負(fù)荷曲線示意圖

2 直接計(jì)量方式

鋼廠接入光伏電源通常采用分布式并網(wǎng),單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)容量不超過(guò)6 MW,并網(wǎng)電壓等級(jí)不超過(guò)10 kV。光伏發(fā)電模式為“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”。光伏發(fā)電大部分可由鋼廠消納,僅在鋼廠檢修或者暫時(shí)減產(chǎn)期間會(huì)出現(xiàn)向電網(wǎng)返送電現(xiàn)象。當(dāng)光伏電源只有1家投資主體,無(wú)須分開計(jì)量光伏返送電量,可視為單一電源,采用直接計(jì)量方式。鋼廠單一光伏電源發(fā)電出力趨勢(shì)柱狀圖如圖2所示。鋼廠單一光伏電源電力平衡趨勢(shì)柱狀圖如圖3所示。

圖2 鋼廠單一光伏電源發(fā)電出力趨勢(shì)柱狀圖

圖3 鋼廠單一光伏電源電力平衡趨勢(shì)柱狀圖

為滿足電能計(jì)量要求,需要在分布式電源與鋼廠配電網(wǎng)連接處設(shè)置1套單向計(jì)量電能表Q1,用于計(jì)量分布式電源總發(fā)電量。在鋼廠配電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接處設(shè)置1套雙向計(jì)量電能表Q2,正向計(jì)量鋼廠消納大電網(wǎng)的電量,反向計(jì)量鋼廠返送至大電網(wǎng)的電量[4]。鋼廠單一電源電氣接線示意圖如圖4所示。

圖4 鋼廠單一電源電氣接線示意圖

鋼廠電能計(jì)量計(jì)算過(guò)程如下所示[5]:

Qv↑=Q2↑

(1)

Qg=Q2↓

(2)

Qv↓=Q1-Q2↑

(3)

式中:Qv↑——鋼廠返送電網(wǎng)的光伏發(fā)電量;Q2↑——2#電表計(jì)量的上行電量;Qg——鋼廠消納的大電網(wǎng)電量;Qv↓——鋼廠消納的光伏發(fā)電量;Q1——1#電表計(jì)量的電量;Q2↓——2#電表計(jì)量的下行電量。

由上述可知,直接計(jì)量方式接線簡(jiǎn)單,光伏返送電網(wǎng)電量可直接通過(guò)抄表得出,可適用于只有一個(gè)投資主體的單一電源鋼廠電能計(jì)量,是較為常用的電能計(jì)量方式。

3 等比例電量算法計(jì)量方式

當(dāng)鋼廠接入的光伏電源屬于2家甚至更多家投資主體,需要分別計(jì)量每個(gè)光伏電源返送電網(wǎng)的電量。由于鋼廠多種光伏電源發(fā)電出力趨勢(shì)相同,發(fā)電功率比值接近定值,可采用等比例電量算法計(jì)量方式。鋼廠雙光伏電源發(fā)電出力趨勢(shì)柱狀圖如圖5所示。鋼廠雙光伏電源電力平衡趨勢(shì)如圖6所示。

圖5 鋼廠雙光伏電源發(fā)電出力趨勢(shì)柱狀圖

圖6 鋼廠雙光伏電源電力平衡趨勢(shì)

為滿足電能計(jì)量要求,需要在每個(gè)電源與鋼廠配電網(wǎng)連接處設(shè)置1套單向計(jì)量電能表Q1、Q2,在鋼廠配電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接處設(shè)置1套雙向計(jì)量電能表Q3。鋼廠雙光伏電源電氣接線示意圖如圖7所示。

圖7 鋼廠雙光伏電源電氣接線示意圖

鋼廠電能計(jì)量計(jì)算過(guò)程如下所示:

(4)

(5)

Qg=Q3↓

(6)

Qv1↓=Q1-Qv1↑

(7)

Qv2↓=Q2-Qv2↑

(8)

式中:Qv1↑——1#光伏電源返送電網(wǎng)的電量;Q3↑——3#電表計(jì)量的上行電量;Qv2↑——2#光伏電源返送電網(wǎng)的電量;Qg——鋼廠消納的大電網(wǎng)電量;Q3↓——3#電表計(jì)量的下行電量;Qv1↓——鋼廠消納1#光伏電源的電量;Qv2↓——鋼廠消納2#光伏電源的電量。

由上述可知,等比例電量算法計(jì)量方式接線簡(jiǎn)單,光伏返送電網(wǎng)電量可通過(guò)抄表結(jié)果進(jìn)行等比例計(jì)算得出,可適用于具有相同功率曲線的多電源鋼廠電能計(jì)量。

4 等比例功率算法計(jì)量方式

當(dāng)鋼廠同時(shí)接入光伏電源和煉鋼尾氣電源,并且電源屬于2家甚至更多家投資主體時(shí),需要分別計(jì)量每個(gè)電源返送電網(wǎng)的電量。由于鋼廠煉鋼尾氣電源發(fā)電自給率較高,加上光伏電源出力,會(huì)產(chǎn)生返送電網(wǎng)電量,返送電量和返送時(shí)間存在隨機(jī)性,可采用等比例功率算法計(jì)量方式。鋼廠光伏電源+尾氣電源發(fā)電出力趨勢(shì)如圖8所示,鋼廠光伏電源+尾氣電源電力平衡趨勢(shì)如圖9所示。

圖8 鋼廠光伏電源+尾氣電源發(fā)電出力趨勢(shì)

圖9 鋼廠光伏電源+尾氣電源電力平衡趨勢(shì)

為滿足電能計(jì)量要求,需要在每個(gè)電源與鋼廠配電網(wǎng)連接處設(shè)置1套單向計(jì)量電能表Q1、Q2,在鋼廠配電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接處設(shè)置1套雙向計(jì)量電能表Q3,在后臺(tái)配置服務(wù)器,每個(gè)電能表通過(guò)數(shù)據(jù)線接入后臺(tái)服務(wù)器,實(shí)時(shí)上傳功率數(shù)據(jù),由服務(wù)器進(jìn)行等比例積分計(jì)算。鋼廠光伏+尾氣電源電氣接線示意圖如圖10所示。

圖10 鋼廠光伏+尾氣電源電氣接線示意圖

計(jì)算過(guò)程如下所示:

(9)

(10)

Qg=Q3↓

(11)

Qv↓=Q1-Qv↑

(12)

Qr↓=Q2-Qr↑

(13)

式中:Qv↑——光伏電源返送電網(wǎng)的電量;Qr↑——煉鋼尾氣電源返送電網(wǎng)的電量;Qv↓——鋼廠消納光伏電源的電量;Qr↓——鋼廠消納煉鋼尾氣電源的電量;P1(t)——1#電表計(jì)量的瞬時(shí)功率;P2(t)——2#電表計(jì)量的瞬時(shí)功率;P3↑(t)——3#電表計(jì)量的上行瞬時(shí)功率。

由上述可知,等比例功率算法計(jì)量方式的電能表配置與等比例電量算法計(jì)量方式類似,但是通信接線較為復(fù)雜。該種方式可適用于有多種不同發(fā)電功率曲線電源的鋼廠返送電能計(jì)量。該種計(jì)量方式依托服務(wù)器對(duì)多點(diǎn)位電能表功率數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取、計(jì)算和累加,要求通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。一旦局部點(diǎn)位通信中斷,將會(huì)導(dǎo)致計(jì)量過(guò)程紊亂和整體結(jié)果失真。隨著電源并網(wǎng)點(diǎn)的增加,計(jì)算過(guò)程更加繁瑣,工程應(yīng)用較為不便。

5 并網(wǎng)點(diǎn)鏈?zhǔn)溅薪臃ㄓ?jì)量方式

針對(duì)鋼廠同時(shí)接入光伏電源和煉鋼尾氣電源,并且電源屬于2家甚至更多家投資主體時(shí)場(chǎng)景,可以通過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)鏈?zhǔn)溅薪臃ㄓ?jì)量每個(gè)電源返送電網(wǎng)的電量。

為滿足電能計(jì)量要求,鋼廠分布式電源需采用π接方式集中接入鋼廠市電進(jìn)線,所有并網(wǎng)π接點(diǎn)采用鏈?zhǔn)竭B接。分別在每個(gè)π接點(diǎn)的電源并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置1套單向計(jì)量電能表Q1、Q2,在π接點(diǎn)中間設(shè)置雙向計(jì)量電表Q3,在電源進(jìn)線端設(shè)置雙向計(jì)量電表Q4。鋼廠光伏+尾氣電源π接并網(wǎng)電氣接線示意圖如圖11所示。

圖11 鋼廠光伏+尾氣電源π接并網(wǎng)電氣接線示意圖

計(jì)算過(guò)程如下所示:

Qv↑=Q3↑

(14)

Qr↑=Q4↑-Q3↑

(15)

Qg=Q4↓

(16)

Qv↓=Q1-Qv↑

(17)

Qr↓=Q2-Qr↑

(18)

式中:Q4↑——4#電表計(jì)量的上行電量;Q4↓——4#電表計(jì)量的下行電量。

由上述可知,并網(wǎng)點(diǎn)鏈?zhǔn)溅薪臃梢赃m用于有多電源的鋼廠返送電網(wǎng)電量計(jì)量,光伏返送電網(wǎng)電量可直接通過(guò)抄表得出。但是,該種計(jì)量方式需要在電源進(jìn)線新增多個(gè)π接點(diǎn),接線較為復(fù)雜,并且會(huì)降低進(jìn)線安全穩(wěn)定性,對(duì)π接點(diǎn)繼電保護(hù)和制動(dòng)裝置性能要求較高。為提升電網(wǎng)穩(wěn)定性,應(yīng)將光伏電源和煉鋼尾氣電源采用集中并網(wǎng),以減少π接并網(wǎng)點(diǎn)。由于鋼廠進(jìn)線電壓等級(jí)通常為110 kV或220 kV,π接點(diǎn)電壓等級(jí)也相應(yīng)為110 kV或220 kV,因此,該種計(jì)量方式適用于光伏裝機(jī)容量100 MWp以上的鋼廠應(yīng)用場(chǎng)景。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)鋼廠電源負(fù)荷特性提出了直接計(jì)量、等比例電量算法計(jì)量、等比例功率算法計(jì)量、并網(wǎng)點(diǎn)鏈?zhǔn)溅薪臃ㄓ?jì)量4種計(jì)量方式。其中,直接計(jì)量方式適用于單一電源應(yīng)用場(chǎng)景;等比例電量算法計(jì)量方式適用于具有相同功率曲線的多種電源的應(yīng)用場(chǎng)景;等比例功率算法計(jì)量方式適用于具有不同功率曲線的多種電源的應(yīng)用場(chǎng)景,要求系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠;并網(wǎng)點(diǎn)鏈?zhǔn)溅薪臃ㄓ?jì)量方式,適用于具有不同功率曲線的多種電源的應(yīng)用場(chǎng)景,要求電源并網(wǎng)電壓等級(jí)在110 kV以上,裝機(jī)容量在100 MWp以上。在實(shí)際工程應(yīng)用中,須結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行綜合評(píng)估,選擇合適的計(jì)量方式。